发布时间：2021-09-22所属分类：电工职称论文浏览：1次
摘 要： 摘 要： 相较于传统的压电单晶声表面波器件，薄膜型声表面波器件具有成本低、易小型化、易集成化等优点。文章对几种薄膜型声表面波器件的研究进展进行了综述。首先，总结了几种常见的薄膜制备方法。然后，根据应用范围的不同将薄膜型声表面波器件分为高频器
摘 要： 相较于传统的压电单晶声表面波器件，薄膜型声表面波器件具有成本低、易小型化、易集成化等优点。文章对几种薄膜型声表面波器件的研究进展进行了综述。首先，总结了几种常见的薄膜制备方法。然后，根据应用范围的不同将薄膜型声表面波器件分为高频器件和高温器件。根据这两大类型，综述了近年来较典型的五种薄膜型声表面波器件，介绍其制备流程、基本结构和高频/高温等特性。最后，对五种薄膜型声表面波器件进行对比，并对薄膜型声表面波器件的未来发展提出展望。该综述对薄膜型声表面波器件的实际应用及推广具有一定借鉴意义。
关键词： 声表面波;薄膜结构;高频;高温
0、 引 言
1885年，英国物理学家瑞利研究地震波[1]时发现了声 表 面 波 (SurfaceAcoustic Wave，SAW)，它是沿着弹性 固 体 表 面 或 界 面 传 播 的 一 种 弹 性 机 械波[2]，其速度可以达到1×103～1×104 m/s，与超声波波速相当，约为电磁波波速的十万分之一。声 表面波有多种不同的模式，其模式主要取决于边界条件和传播介质条件，常见的模式有瑞利波(RayleighWaves)[3]、乐甫 波(Love Waves)[4]、兰姆 波(LambWaves)[5]等。由于当时科学技术水平有限，这种弹性表面波一直没有得到实际应用。1965年，加州伯克利大学的 R.M.White和 F.W.Voltmer[6]成功用叉指结构的换能器激发了声表面波，从此，推动了声表面波器件的发展。1968年，美国斯坦福大学的研究小组在 LiNbO3 上，用叉指换能器做到了仅 4dB的声电转换损耗[7]，使人们更清楚地看到了声表面波应用于实际的可能性。
声表面波器件主要由压电材料和叉指换能器(IDT)构成。电信号通过逆压电效应由输入换能器转变成声信号，声信号沿衬底表面传播，最终由输出换能器 转 变 成 电 信 号 输 出，实 现 电-声-电 的 转 换。在声表面波传播过程中，额外的电磁场会导致信号的色散和衰减[8]，以此可以实现信号处理、传感等各种功 能。常 见 的 声 表 面 波 器 件 有 声 表 面 波 滤 波器[9]、声表面波谐振器[10]、声表面波传感器[11]。
本文综述了近年来薄膜型声表面波器件的研究进展，总结了薄膜型声表面波器件的优势和薄膜的基本制备方法。根据薄膜型声表面波器件的应用范围，将其分为两类：高频器件和高温器件，分别综述了其制作过程、基本结构、高 频/高 温 等 特 性。根 据五种薄膜型声表面波器件的对比结果，总结出高频、高温器件的工作范围，对薄膜型声表面波器件的未来发展提出了展望。
1 薄膜型声表面波器件
薄膜型声表面波器件通常是在无压电性的衬底上淀积一层压电薄膜，因此具有与压电衬底同样优良的性能。传统的压电晶体温度稳定性差、需 要 高精度的定向切割技术、不能集成化，这与声表面波器件的小型化和集成化的发展趋势不相符，所以薄膜型声表面波器件逐渐成为了声表面波器件未来的发展方向。
目前 制 备 薄 膜 的 方 法 有 很 多，如 溅 射 法(Sputtering)[12]、化 学 气 相 淀 积 法 (CVD)[13]、脉 冲激光淀 积 法 (PLD)[14]和 分 子 束 外 延 法 (MBE)[15]等。溅射法(Sputtering)相比于其他几种薄膜制备方法，具有沉积速度快、与 MEMS加工结合度高、薄膜质量好、淀积面积大等优点。虽然溅射法的 价 格高于化学气相淀积法和脉冲激光淀积法，但其综合性能和性价比是这几种薄膜制备方法中最高的。随着制备薄膜技术的发展，改 进 后 的 磁 控 溅 射 法(MagnetronSputtering)[16]具有 设 备 简 单、易 于 控制等优点，被更广泛地应用于薄膜制备中。中 频 磁控反应溅射法具有一般磁控溅射法溅射速率快的优点，还避免了靶中毒、阳极消失、靶面打火等问题，是制 备 AlN[24]、ScAlN[17]、ZnO[18] 等 薄 膜 的 最 佳选择。
2 薄膜型声表面波高频器件
随着5G 的发展与应用，高频、高性能已经成为声表面波器件发展的必然趋势。高频对声表面波器件的结构和制备提出了更高的要求。本文综述了嵌入式电极结构薄膜高频器件[19]、AlN/NCD 结构 薄膜高频器件和石墨烯电极结构薄膜高频器件，分析了它们的高频特性。
2.1 嵌入式电极结构薄膜高频器件
2017年，国防科 技 大 学 的 陈 书 明、张 金 英[19]等人制备了一种嵌入式电极结构的薄膜型声表面波器件。该结构首先利用化学气相淀积法在 Si衬底 上淀积金刚石层;然后对其进行抛光，获得一个光滑的表面，用于 AlN 薄膜 的 淀 积;接 着 利 用 射 频 磁 控 反应溅射法 在 diamond/Si衬底 上 制 备 AlN 薄膜，最后用电子 束 光 刻(EBL)等工 艺，制 备 嵌 入 式IDT。该器件的基本结构如图1所示。该结构可以高效激发出17.7GHz的Sezawa模式的声表面波，比传统结构有更高的频率和输出功率。
传统IDT 和嵌入式IDT 总位移仿真对照图[19]如图2所 示。可 以 看 出，相 较 于 传 统IDT，嵌入 式IDT 器件最大位移场从IDT 区域向下移动到 AlN/diamond层，这增 加 了IDT 的谐 振 频 率，也 提 高 了输出功率。对于传统IDT 器件，总位移在 Au电极内部最大，在 AlN/diamond内部 则 小 得 多，导 致 相应的谐振频率减小。因此，嵌入式IDT 的声表面波器件是一种特 别 适 用 于5G 通信等领域的高频率、高功率器件。
2.2 AlN/NCD结构薄膜高频器件
2012年，德 国 的 J.G.Rodríguez-Madrid[20]等人 制 备 了 AlN/Free-Standing NanocrystallineDiamond(NCD)结构 的 高 频 薄 膜 型 声 表 面 波 传 感器，制备 流 程 如 图 3 所 示。第 一 步 是 将 20μm 厚NCD淀积在硅基片 上;第 二 步 是 将 NCD 粗糙 的 一面用环氧粘合剂固定在中间有孔的 Al2O3 基板上;第三步是在室温下通过 HF∶HNO3(2∶1)化学蚀刻去除硅，清洗，用磁控溅射法沉积 AlN 薄膜;第四步是采用电子束光刻技术制备铝电极;第五步是使用光刻胶留下铝IDT。该结构的薄膜型声表面波器件可以工作在10～14GHz频率范围。
AlN 的相速度是5600m/s，CVD 制备的金刚石相速度高达12000m/s，叉指电极的周期性宽度为800nm，这些特性使得该结构的声表面波传感器适合工作在高频范围。为了研究该结构的可 行 性，在独立 NCD 上淀 积 150～1200nm 厚的 AlN 薄膜。不同厚度的 AlN 薄膜对应的反射系数S11如图4所示。
对于 第 一 Sezawa 模 式 的 S1，虽 然 其 速 度 随AlN 薄膜 厚 度 的 减 小 而 增 大，当 AlN 薄膜 厚 度 为300nm 时，S11较小，损耗较小，品质因数 Q 得到提高。由 于 MCD 的成 本 较 高，free-standingNCD 是制备金刚石的更好选择。综合以上多种因素，选 用300nm 的 AlN 薄膜制备 AlN/NCD 结构。该结构在第一Sezawa模式下，可以得到12.5GHz的谐振频率。
2.3 石墨烯电极结构薄膜高频器件
2014 年，英国 利 兹 大 学 的 A.Mayorov[21]等人为解决金属电极的高频问题，采用超轻、超薄的石墨烯作为声表面波器件的电极材料，制备了一种石墨烯薄膜 电 极/LiNbO3 衬 底结构的声表面波器件。制备出的石墨烯叉指换能器如图5所示。该结构的制作流程：首先利用 CVD 制备石墨烯，然后将石墨烯转移到128°Y-X单晶的铌酸锂衬底上，接着使用双层抗蚀工艺的光刻技术用于制造石墨烯的金属触点，最后用异丙醇和水进行清洗。石墨烯叉指 换 能器已经被证明至少可以在160 MHz以上的 高 频 环境下工作。
2017年，国防科技大学的宋兆鑫[22]等人进一步证明了石墨烯作为高频电极材料的可行性。石墨烯电极可以降低高频模式下产生的质量负载效应和寄生效应，减少了这些效应对品质因数 Q 和机电耦合系数 K2 的影响。如图6所示。
随着石墨烯薄膜层数的增加，薄膜 的 方 块 电 阻逐渐降低，叉指电极等效电阻降低，声表面波器件的性能得到提升。此外，随着石墨烯薄膜层数的增加，声表面波器件的机电耦合系数 K2 逐渐 增 大，插 入损耗降低，传输信号幅度增强。这表明石墨烯 电 极除了拥有良好的高频性能外，还能提升声表面波器件的性能。
3 薄膜型声表面波高温器件
随着现代工业技术的不断发展，在 航 空 航 天 工业、核能工业和制造工厂的应用中，声表面波传感器需要在超过400 ℃的温度下工作[24]，高温环境对声表面波器件的衬底材料、电极材料以及封装防护技术等提出了更高的要求，因此传统的声表面波器件无法满足复杂、高温环境下的应用需求。本文 综 述了 TC4合金衬底的薄膜高温器件[23]和 AlN/Y2O3/Hastelloy结构 薄 膜 高 温 器 件[24]，分析 了 它 们 的 高温特性。
3.1 TC4合金衬底的薄膜高温器件
2016年，电子 科 技 大 学 的 舒 琳[23]等人 制 备 了AlN/TC4结构的 高 温 薄 膜 型 声 表 面 波 器 件。该 结构的制作流程：首先机械抛光 TC4合金衬底，然 后采用中频磁控 反 应 溅 射 法 在 TC4合金 衬 底 上 制 备AlN 薄膜，最后使用电子束蒸法和剥离光刻技术制备IDT 和反 射 栅。其 基 本 结 构 如 图 7 所 示。AlN的最高工作温度是1150 ℃[27]，TC4合金可以长期在600 ℃以上的环境下工作，且该结构在制备过程中不使用任何粘合剂，这极大提升了该结构声表面波器件在高温下的各项性能。
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不同温度和 AlN 薄膜厚度tAlN下SAW 器件的K2 变化曲线如图8所示。对于不同tAlN的声 表 面波器件，机电耦合系数 K2 都随着温度的升高而增加。在350 ℃下，AlN/TC4合金的声表面波器件的K2 比常温提高30%左右，这 表 明 该 结 构 的 声 表 面波器件在高温下具有良好的性能和应用前景。随着tAlN的增加，虽然声表面波速度会逐渐增大，但由于层结构的厚度效应，K2 变小，与此同时薄膜的热应力增加，这会导致薄膜开裂甚至从基底上脱落。不同tAlN下SAW 器件的|TCF|的变化曲线如图9所示，随着tAlN的增加，声表面波器件的|TCF|逐渐减小，器件对温度变化的敏感度降低。综上考虑，对于长时间工作在高温环境下的非温度传感的声表面波器件，选用3.0μm 厚的 AlN 薄膜作为防护层和导波层，器件性能更优;对于声表面波温度传感器，选用 1.5μm 厚 的 AlN 薄 膜，器件对温度的变化更敏感。
3.2 AlN/Y2O3/Hastelloy结构薄膜高温器件
2016年，电子科技大学的彭斌[24]等人制备了一种 AlN/Y2O3/Hastelloy结构的的高温薄膜型声表面波器 件。该 结 构 的 制 作 流 程：首 先 在 哈 氏 合 金(Hastelloy)衬底上通过溶液淀积平整法(SDP)淀积Y2O3 缓 冲 层;然 后 通 过 中 频 磁 控 反 应 溅 射 法 在Y2O3 缓冲 层 上 制 备 AlN 薄膜;最 后 Y2O3 缓冲 层在高温下向 AlN 薄膜 和 哈 氏 合 金 衬 底 扩 散。其 基本结构如图10所示。哈氏合金为柔性金属衬底，可以工作在800 ℃左右，AlN 的最高工作温度可以达到1150 ℃[27]，因此该结构可 以长时间工作在400 ℃～800 ℃温度范围。
对于 AlN 薄膜，FWHM 是评价薄膜质量的 一个重要 参 数。FWHM 越小，AlN 薄膜 的c 轴取 向越好，表明垂直于衬底的晶粒排列越好，机电耦合系数 K2 越高，器 件 性 能 更 优。在 Hastelloy 衬 底 和Y2O3/Hastelloy衬底 上 沉 积 AlN 薄 膜 的 XRD 谱图如图11所示，插图是 AlN(0002)摇摆曲线峰值。Y2O3/Hastelloy衬 底 上 生 长 的 AlN 薄 膜 FWHM更小，这是因为 Y2O3 缓冲层改善了哈氏合金衬底的粗 糙 表 面，提 高 了 AlN 薄 膜 的 沉 积 质 量。 而Y2O3 缓冲层 在 高 温 下 的 扩 散 效 果 替 代 了 粘 合 剂，解决了粘合剂在高温环境下不稳定的问题，使 AlN/Y2O3/Hastelloy结构 的 声 表 面 波 器 件 高 温 下 的 性能更稳定。
4 薄膜型声表面波器件性能总结
本文将薄膜型声表面波器件分为高频器件和高温器件进行研究，分别介绍它们的制备流程、基本结构、高温/高频等工作特性。不 难 看 出，薄 膜 型 声 表面波器件的材料多样、应用范围广泛。为总结 薄 膜型声表面波器件的性能，根据上述五种薄膜型声表面波器件的工作特性，总结如表1所示。
如表1所示，AlN 薄膜被广泛应用于各种高频、高温器件。AlN 薄膜压电特性和高频特性好，适合制作高频声表面波器件，尤其是 GHz级别的声表面波器件[26]。同时，AlN 薄膜材料在1150 ℃环境下仍然具有良好的压电特性[27]和化学稳定性[24]，其溅射淀积在声表面波器件的电极表面能很好地保护电极，其在高温声表面波器件中也有广泛的应用。然而 AlN 薄膜的机电耦合系数偏低，限制了其更广泛的应用。M.Akiyama[28-29]等人通过向 AlN 薄膜掺入Sc元素，极 大 地 提 升 了 其 机 电 耦 合 系 数。因 此ScAlN 薄膜受到了越来越多的重视，逐渐成为推动高频、高温器件进一步发展的重要材料。
5 结 论
本文分别对近十年来主要的薄膜型声表面波器件的制备流程、结构组成和高频/高温等特性进行了介绍，并对各种声表面波器件的性能进行对比。目前的薄膜型声表面波器件在高频、高温下广泛使用AlN 薄膜。为 了 进 一 步 提 高 器 件 的 性 能，提 出 用ScAlN 薄膜代替 AlN 薄膜的建议，对于薄膜型声表面波器件的发展具有一定的指导意义。——论文作者：赵 程，周佳成，袁淑雅，邓丽城，王德波
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